【手続補正書】
【提出日】平成18年7月10日(2006.7.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  急速水焼入れ方法及び装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼及び合金部品の熱処理加工において、加熱後の急速冷却のための冷媒として、水又は水を主たる成分とした廃棄しても環境を汚染する怖れのない水溶液（以下「水」と称する）を使用する焼入れ方法であって、冷却時に処理品を冷媒の平均速度が１．０ｍ／秒以上の流水中で冷却することを特徴とする急速水焼入れ方法。
【請求項２】
鋼及び合金部品の熱処理加工において、加熱後の急速冷却のための冷媒として、「水」を使用する焼入れ装置であって、冷媒を貯留する水槽と、該水槽内に設けられ、処理品を載置する水冷室と、冷媒を循環させて該水冷室内の冷媒の流速を１．０ｍ／秒以上に保つ冷却水吸引機構と、を有することを特徴とする急速水焼入れ装置。
【請求項３】
加熱が減圧又は大気以外の雰囲気中で実施され、処理品が大気に触れることなく冷媒に投入される無酸化式炉に付設される焼入れ装置であって、処理品が加熱される加熱室及び前記水冷室と直結し、加熱室と同じ雰囲気を保つことができる冷却室を有し、前記水冷室に流れ込む冷媒が渦を巻くように流路が形成されることを特徴とする請求項２に記載の急速水焼入れ装置。
【請求項４】
保護雰囲気で満たされた前記冷却室と、冷媒の「水」が流れている前記水槽との間に設けられ、処理品冷却時以外は雰囲気を完全に遮断する冷却室扉と、冷却中に前記冷却室内を大気圧に保つ雰囲気圧調整機構と、を有することを特徴とする請求項３に記載の急速水焼入れ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋼及び合金部品の熱処理加工において、焼入れ等、加熱後の急速冷却のための冷媒として、「水」を使用する冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼及び合金部品の熱処理加工において、焼入れ等、加熱後の急速冷却のための冷媒は鉱物油が一般的である。「水」も古くから使用され、一部では今日も使用されているが、冷却中の蒸気膜段階の制御が困難で、冷却能の大きいことと相まって、冷却歪みが大きく割れにつながることもある。その為に比較的冷却能は小さいが、より均一な冷却が出来る鉱物油が広く使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
鉱物油による冷却では、冷却能を向上し、冷却歪みを少なくするための油の組成、温度、攪拌状況等多くの因子の管理に煩わされている。また、冷却油そのものが高価であることに加え、処理後の脱脂及び除去剤や除去された油の廃棄処理に多大のコストが掛かっている。この他に、油脂は可燃物であり、作業環境が悪く、作業場の防災設備への出費も大きい難点がある。
【０００４】
冷却の均一性だけの面からは、最近、ガス体の冷媒も使用されている。冷却はより均一だが、冷却能を油脂に近づけるために、ガス種に窒素、水素、ヘリウム等を使用し、圧力も１０〜２０バールの高い圧力で利用されている。これらのガスは高価である上に、高圧ガスの使用は保安上の問題から、設備とその維持管理に多大のコストが掛かる問題点を持っている。
【０００５】
本発明では、本来優れた冷却能を持っている「水」を冷媒に使用し、「水」が忌避された理由の、不均一冷却による歪みの発生を現用の油脂なみに少なくする冷却方法を提供する。そのことで、熱処理加工の環境問題を解決し、冷却剤及びその処理コストを一挙に改善するとともに、冷却能の向上によって、処理部品の材質を現用のものよりも焼き入れ性の劣る低コスト材料に変更出来る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のうち請求項１の発明は、鋼及び合金部品の熱処理加工において、加熱後の急速冷却のための冷媒として、「水」を使用する焼入れ方法であって、冷却時に処理品を冷媒の平均速度が１．０ｍ／秒以上の流水中で冷却することを特徴とする。本発明では、広く使用されている油脂の冷媒にたいして、品質を同等程度にたもちながら、コスト、環境の改善の目的で「水」を冷媒として使用した。従来方法での「水」による冷却では、高温に加熱された処理品を強い攪拌下の「水」に投入すると、初期は処理品の表面が「水」の蒸気膜で覆われて、冷却速さが小さい蒸気膜段階がある。処理品の温度が降下すると、蒸気膜の生成力が減少して膜が水流に剥ぎ取られる沸騰段階に入って、処理品の冷却が一気にすすみ、温度が下がる。この蒸気膜段階から沸騰段階への移行が、処理品の部分によって時間ズレが起きて、冷却速さが不均一になるのが熱処理歪みの大きな原因になっている。そこで本発明では、冷媒の「水」を単純に攪拌するのではなく、処理品の表面に発生する蒸気膜が直ちに剥ぎ取られ、蒸気膜段階を形成しないで全表面が強い沸騰段階から冷却されるように、処理品が投入される有効域での「水」の流れ速さが、１．０ｍ／秒以上に調整された流水中に処理品を投入して冷却することとした。このようにすると、「水」による蒸気膜を形成させることなしに各部を均一に冷却し、不均一冷却による熱処理歪みを小さく、冷却変態効果を増大することができる。
【０００７】
本発明のうち請求項２の発明は、鋼及び合金部品の熱処理加工において、加熱後の急速冷却のための冷媒として、「水」を使用する焼入れ装置であって、冷媒を貯留する水槽と、該水槽内に設けられ、処理品を載置する水冷室と、冷媒を循環させて該水冷室内の冷媒の流速を１．０ｍ／秒以上に保つ冷却水吸引機構と、を有することを特徴とする。このように構成することで、本発明の焼入れ方法を実施することができる。なお、冷却水吸引機構としては、プロペラ式のものや「水」噴射式のもの等、１．０ｍ／秒以上の水流を生じさせることができるものを用いる。
【０００８】
本発明のうち請求項３の発明は、加熱が減圧又は大気以外の雰囲気中で実施され、処理品が大気に触れることなく冷媒に投入される無酸化式炉に付設される焼入れ装置であって、処理品が加熱される加熱室及び前記水冷室と直結し、加熱室と同じ雰囲気を保つことができる冷却室を有し、前記水冷室に流れ込む冷媒が渦を巻くように流路が形成されることを特徴とする。このように、水冷室に流れ込む「水」が渦を巻くことで、処理品を「水」に投入する際に、「水」から出る水蒸気と「水」表面付近の雰囲気ガスが流水に巻き込まれて下流に押し流され、「水」からの水蒸気が冷却水槽の上部の保護雰囲気で満たされた部屋を汚染することがない。冷却水吸引機構としてプロペラ式のもの等を用いるとそれだけでも渦が生じるが、このように流路を形成するとさらに効果的である。
【０００９】
本発明のうち請求項４の発明は、保護雰囲気で満たされた前記冷却室と、冷媒の「水」が流れている前記水槽との間に設けられ、処理品冷却時以外は雰囲気を完全に遮断する冷却室扉と、冷却中に前記冷却室内を大気圧に保つ雰囲気圧調整機構と、を有することを特徴とする。本発明の装置をこのように構成することで、冷却中に、「水」とともに冷却室の雰囲気ガスが持ち去られて冷却室が負圧になり、「水」の流れ効率が低下することを防止する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１に本発明に基づく水焼入れ装置の例を示す。この水焼入れ装置は、加熱室１に接続して冷却室３がある。冷却室の下部に水槽８を備え、その中に水冷室１１、循環流路１２、整流板１３、水冷室扉１４を備え、そして装置内の「水」の大きな流速を得る為に、プロペラ式の冷却水吸引機構９又は図示しないが「水」噴射式の冷却水吸引機構を備えている。冷却が完了した処理品は水冷室扉１４を通過させて取り出すか、再度冷却室３に戻してから系外に搬出する機構を備えている。冷却室３と加熱室１及び水冷室１１との間は、一方が真空になってもガスタイトに保持出来る構造の加熱室扉２及び冷却室扉１０で仕切られている。
【００１１】
加熱後の冷却を、順を追って説明する。真空を含む各種雰囲気中で加熱が終了した処理品４は、予め加熱室と同じ雰囲気に調整された冷却室３に、加熱室扉２を開けて５の位置に移される。加熱室扉２が閉じられ、冷却室３の雰囲気が大気圧になったことを確認して、水冷装置側の冷却室扉１０を開いて、処理品を高速で流れる冷媒のなかの６の位置に浸漬して冷却する。水冷室１１の内部は、冷媒の「水」が冷却水吸引機構９によって、１．０ｍ／秒以上の速さで流れているし、水冷室１１に流れ込む「水」の表面の流速は、「水」からの水蒸気及び冷却室３の雰囲気を巻き込んで冷媒とともに下流に流し出すよう調節されている。冷却中は冷却室３が雰囲気の流出で負圧になって、「水」の流れ効率が低下しないように、雰囲気圧調整機構１５をとおして大気圧に保たれている。
【００１２】
処理品６の冷却が終了したら、冷却室扉１０を閉じ、冷却水吸引機構９の運転を停止して、水冷装置内の水冷室扉１４を開いて処理品を７の位置まで移動して系外に取り出して冷却処理を終了する。
【００１３】
【実施例】
本発明の冷却方法での実施の例を説明する。Ｓ４５ＣとＳＣＭ４３５の二つの鋼種で作ったφ１２Ｘ４５ｍｍのボルトとφ１２Ｘ１２０ｍｍの丸棒について、無酸化雰囲気中で８５０℃に加熱し、冷却の方法として、図１に類似した冷却装置を使用し、「水」の平均流速を１．０ｍ／秒と１．５ｍ／秒で実施した（水温度２５℃）。また、比較の為に、従来どおりの油冷却（油温度８０℃）と強い攪拌水（Ｈ＝１．６〜２．０，温度２５℃）冷却も試みた。ボルトでは硬さと引っ張り強さを、丸棒では長尺方向の中央部でのフレを調査した。引っ張り強さは、Ｓ４５Ｃ材はＨＲＣ２７．２程度に、ＳＣＭ４３５材はＨＲＣ３１．５程度に焼き戻しで硬さを調整して調査した。
【００１４】
実施例での結果は表１のとおりであった。本発明の方法での「水」冷却では、強攪拌された水よりも冷却能が高く、高い焼入れ硬さを得られるが、冷却の不均一に起因する曲がり量は油冷と殆ど差異がない。強攪拌水冷では、不均一冷却の為に、炭素鋼では全数が、合金鋼でも６０％が割れていた。焼き戻し処理で同じ硬さに調整した丸棒の引っ張り強さは、油冷と本方法による冷却の場合に差異は無かった。また、本発明の装置での「水」の蒸気による冷却室の汚れを見るために、冷却室の雰囲気の露点を−４℃に保持し、水冷装置内の「水」の最表面部の流速を、雰囲気ガスを巻き込む程度に調整して、冷却室扉１０を開けても、冷却室３の天井に設置した露点計に変化は認められなかった。次に、冷却室扉１０を開けたまま、水冷装置内の「水」の流れを停止すると、冷却室３の天井に設置した露点計では急速に露点が＋５℃まで上昇した。引き続いて再度水冷装置内の「水」の流れを開始すると、約２０分で露点は元の−４℃に回復した。
【表１】
2002097520.tif 000001
【００１５】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、処理品の表面が蒸気膜で覆われる時期がなく、各部が一斉に沸騰段階になり、急速に、均一に冷却されるので、熱歪みの小さい冷却が出来た。「水」の流速が大きくなればなるほど、処理品各部の冷却が均一になり、歪みが小さくなる傾向が認められた。
【００１６】
本発明の方法によれば、冷媒は安価な「水」であり、油脂を使用する必要がない。よって、油脂そのもののコスト、油脂を除去するコスト、油脂、脱脂剤を廃棄処理するコストが不要になった。また、加圧ガス冷却のような高価なガスを使用しないので、高圧ガスの為の高価な保安設備も必要でなくなった。その上、作業環境が改善され、環境汚染を完全に防止できた。
【００１７】
本発明の装置を使用することで、周囲の雰囲気ガス及び冷媒の「水」からの水蒸気が冷却室の雰囲気を汚すことがないので、雰囲気加熱炉や真空加熱炉に直接接続して無酸化の冷却ができた。
【００１８】
本発明の装置を使用することで、高い冷却能の利点を生かせば、焼入れ性を改善するために使用されている高コストの合金鋼を、より安価な合金鋼や炭素鋼に変更して材料コストを節減することにも効果が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水焼入れ装置の全体断面概要図である。
【符号の説明】
１  加熱室
２  加熱室扉
３  冷却室
４，５，６，７  処理品
８  水槽
９  冷却水吸引機構
１０  冷却室扉
１１  水冷室
１２  循環流路
１３  整流板
１４  水冷室扉
１５  雰囲気圧調整機構